上保护层开采遗留区段煤柱现存状态研究

肖 健，陈学习，单文选，毕瑞卿

(1.华北科技学院，北京 065201；2.晋能控股集团挖金湾煤业公司；山西 大同 037003；3.华北科技学院，北京 065201)

矿井开采规模增大、时间延长，导致采掘工作持续向深部延伸，深井采煤即将成为常态[1，2]。采深不断增加，部分非突煤层逐渐转为突出[3]。保护层开采不仅能够最大效率消除突出危险性[4]，而且是现行标准—《防治煤与瓦斯突出细则》中要求的首选措施[5]。无煤柱开采能够为被保护层提供有效且连续的保护[6]。但在实际开采活动中，由于隔离采空区、防水及保护巷道掘进等原因不可避免的需要留设区段煤柱[7]。

徐青云等[8]、何连福等[9]、张源等[10，11]、郭帅等[12]研究了区段煤柱破坏原因，认为高支撑压力、顶板破断过程动压影响及支护失效区段煤柱破坏的主要原因，同时也提出了针对不同破坏原因的区段煤柱加固稳定技术措施。康建东[13]通过数值模拟研究得到在煤柱下方存在一定范围的未卸压区，未卸压区因煤柱尺寸增大而扩大，导致被保护层保护效果在倾向上没有连续性，影响安全高效生产。文虎等[14，15]研究了有效保护边界的划定，但对保护范围划定均未考虑遗留煤柱的状态。遗留区段煤柱破坏与否对上覆岩层重力传递有着决定性作用，研究区段煤柱现存状态对进一步研究被保护层范围和指导被保护层开采工作有重要的意义。

本文以深井近距离上保护层开采遗留区段煤柱为工程背景，从煤柱极限强度计算、数值模拟、现场探测3个角度对遗留煤柱状态进行研究，确定遗留煤柱现存状态。研究成果可为类似条件的保护层开采方案及被保护层保护范围研究提供理论和技术支撑。

1 工程背景

平煤四矿位于河南省平顶山市，己15-23160工作面是平煤四矿己三采区二水平最后一个己15煤层的工作面，煤层厚度平均1.6m，平均倾角8.0°，与下部己16.17煤层平均层间距9m。直接顶粉砂质泥岩、粉砂岩，老顶中粗粒砂岩，直接底泥岩，老底粉砂质泥岩。己15-23160工作面及邻近工作面位置关系，如图1所示。

图1 己15-23160工作面位置关系

己15-23160工作面浅部是己15-23140工作面，深部是己15-31020工作面，下部是己16.17-23160工作面。己15煤层遗留的区段煤柱在己15-23160联络巷两侧，两个区段煤柱宽度均为4m，中间间隔宽度为5m的己15-23160联络巷。己16.17-23140工作面深部是与己16.17-23140机巷间隔4m煤柱的己16.17-23160风巷，己16.17-23160风巷平面图上与己15-23140机巷重叠，位于己15-23140机巷的正下方。

2 区段煤柱破坏受力分析

2.1 区段煤柱类型分析

煤柱类型根据遗留区段煤柱两侧开采情况分为两类[16，17]：当遗留区段煤柱仅一侧为采空区时为单侧采空区段煤柱，如图2(a)所示；当区段煤柱两侧均为采空区时为双侧采空区段煤柱，如图2(b)(c)(d)所示。两侧采空煤柱应力分布受煤柱宽度(w)和采动应力最大影响距离(L)影响，如图2(b)(c)(d)所示。

Ⅰ—破碎区；Ⅱ—应力增大区；Ⅲ—应力降低区；Ⅳ—原始煤体区；Ⅴ—应力叠加区图2 区段煤柱垂直应力分布

从图2(a)可以看出，单侧采空煤柱从临空侧煤壁开始分为连续的四个区域。从图2(b)、图2(c)、图2(d)可以看出，当煤柱尺寸大于2L时，存在未受扰动的原岩应力区；当煤柱小于宽度大于L、小于2L时煤柱承受应力呈“驼峰”型；当煤柱宽小于L时，应力峰值处出现应力叠加现象，应力分布呈近似梯形，煤柱可能受到严重破坏[18]。平煤四矿遗留宽度4m的区段煤柱应力峰值距离通过式(1)[17]计算。

l=12.015-0.475f-0.16Rc1-0.199θ

+1.593M+1.7×10-3H

(1)

式中，l为己15遗留区段煤柱边缘与倾向支承压力峰值点间的距离，m；f为己15煤层煤的坚固性系数，取f=0.6；Rc1为己15煤层煤柱顶板岩层的抗压强度，取Rc1=20.0MPa；θ为己15煤层的倾角，取8.0°；M为己15-23160工作面采高，取1.6m；H为己15-23160联络巷埋深，取900m。计算结果为l=11.0m，由图2(a)可知L>l=11.0m，平煤四矿遗留区段煤柱属于w

2.2 煤柱极限强度计算

煤柱极限强度计算公式常规表达式分为两类[19]：①式(2)中的线性表达式；②式(3)中的功率表达式。

式中，Sp为煤柱极限强度，MPa；Scube为单轴抗压强度，取5.6MPa；w为煤柱宽度，取4m；h为煤柱高度，1.6m。

选择几个具有代表性的公式计算己15煤层遗留煤柱极限强度，结果见表1，将计算结果最大值作为煤柱最大极限强度。

表1 煤柱极限强度计算结果表

3 区段煤柱数值模拟研究

3.1 模型建立

基于FLAC3D软件，以平煤四矿己15-23160两侧遗留区段煤柱为原型，建立如图3所示的计算模型，并对模型进行网格细化处理。模拟材料本构模型选用摩尔-库伦模型，建模参数见表2。模型上部边界条件设定为上覆煤岩层重量，由式4计算得到。下部边界条件设定为己16.17煤层底板，在x轴、y轴方向能够移动，z轴固定。两侧边界条件设定为侧面煤岩体固定，仅在z轴方向移动。

图3 数值模拟模型图

表2 煤岩层物理力学参数

上覆岩层重力计算公式：

σ=γH

(4)

式中，σ为己15煤柱的原岩应力，MPa；γ为己15煤柱上覆岩层的平均容重，取25kN/m3；H为己15煤柱的埋深，取900m。σ=γH=25×900×10-3=22.5MPa。

3.2 模拟结果分析

模拟实际采掘次序，分四步开挖，垂直应力分布如图4所示，开挖结束后塑性区分布如图5所示。

图4 垂直应力分布剖面

图5 塑性区分布剖面

由图4(a)可知，煤柱两侧工作面回采后应力重新分布，煤柱内出现应力集中现象，煤柱1、煤柱2承载最大垂直应力分别为127.2MPa和70.0MPa。由图4(b)可知，己16.17-23140机巷掘进期间，煤柱1、煤柱2承载应力均增大，分别为131.1MPa和80.0MPa。由图4(c)可知，己16.17-23140工作面回采反而降低了煤柱承载应力，分别为120.0MPa和70.0MPa。由图4(d)可知，己16.17-23160风巷掘进后煤柱承载应力变化趋势不一致，煤柱1承载应力降低，煤柱2承载应力升高，数值上基本一致为85.1MPa。统计模拟过程中煤柱垂直应力和第二章煤柱极限强度计算值，如图6所示。

图6 模拟的集中应力与煤柱极限强度对比

由图5可知，己15-23140、己15-23160、己16.17-23140工作面开采结束，己16.17-23160风巷掘进期间，己15煤层遗留的煤柱1和煤柱2塑性破坏完全导通，煤柱整体处于塑性破坏范围。

由图6可知，模拟过程中煤柱1承载垂直应力前期一直大于煤柱2，己16.17-23160风巷掘进后基本相等。煤柱1呈现先上升后持续下降的现象，煤柱2呈现先升后降、再降又升小幅度波动的现象。模拟中煤柱承受的垂直应力为原岩应力的3.1～5.8倍，为煤柱最大极限强度的2.7～5.0倍，理论上遗留煤柱均已发生失稳破坏。

4 区段煤柱现场探测

4.1 探测方案

将遗留原始煤柱高度均为1.6m的己15-23160联络巷-4点以里132.2m处和-4点以里42.4m处区段煤柱作为探测的目标点。开钻点位于己16.17-23160风巷-2+1点以里26.7m处和116.7m处顶板，每个探测组各有5个探煤钻孔，钻孔施工参数见表3，钻孔布置如图7所示。

图7 探煤组钻孔布置

表3 探煤钻孔施工参数表

T1探煤组及T2探煤组以3号探煤钻孔为中心呈对称分布，两个探煤组中2号、3号及4号钻孔位置一致。3号探煤钻孔终孔位置设计在己15-23160联络巷中间，2号、4号探煤钻孔终孔位置分别设计在遗留的两个煤柱中部，2号钻孔位于煤柱1，4号钻孔位于煤柱2。两个探煤组1号和5号钻孔位置有差别，1号钻孔距离煤柱1上帮煤壁分别为3m、4m，5号钻孔距离煤柱2下帮煤壁分别为3m、4m。

4.2 探测结果及分析

T1-1钻孔连续钻进达10.3m时，孔口开始返黑水、煤渣，钻进阻力减小，钻进速度增加，以相对小的阻力和较快速度持续0.3m后，钻孔返水黑色褪去，钻进阻力增大，持续钻进0.5m孔口返水和钻进阻力无较大变化。其他探煤钻孔也进行相应的钻进记录，钻进记录统计见表4。根据探煤组钻孔施工参数和钻进见煤长度推算出残余煤柱高度，见表4绘制原始煤柱和残余煤柱对比如图8所示。

表4 探煤组钻孔钻进记录统计表

图8 己15煤层原始和残余煤柱对比

由图8可知，己15-23160联络巷两侧高度为1.6m的原始煤柱均发生失稳破坏，经探煤钻孔探测残余煤柱最大高度为0.64m，T1探测组和T2探测组探测结果一致，最大高度位于煤柱1位置，损失煤柱高度为0.96m，高度损失比为60%。煤柱高度损失0.96m相当于开采近1m厚的煤层，残余煤柱不会对下部被保护层煤柱影响区形成明显的应力集中区。己15-23160联络巷位置残余煤柱高度略大于原始煤柱轮廓线外侧，说明垮落煤体在两煤柱中间出现叠加现象。煤柱2下帮煤壁以深，T1探煤组探测了3m位置的残余煤柱高度，T2探煤组探测了4m位置的残余煤柱高度，分别为0.31m和0.24m，说明离原始煤柱距离越远残余煤柱高度越低。

5 结 论

1)理论计算得到煤柱最大极限强度为26.0MPa，煤柱最大极限强度大于原岩应力。

2)数值模拟得到煤柱1和煤柱2承载的最大垂直应力分别为131.1MPa、85.1MPa，分别为煤柱极限强度的5.0倍和3.3倍。

3)现场探测得到高度为1.6m原始遗留煤柱均发生坍塌垮落，残余煤柱高度最大值为0.64m，且离原始煤柱距离越远残余煤柱高度越低高度损失比为60%。

4)原始煤柱高度损失0.96m，相当于近1m厚的煤层被开采，残余煤柱不会对下部被保护层煤柱影响区形成明显的应力集中区，保护效果有连续性。